Temná hmota a temná energie jsou jedny z největších záhad moderní kosmologie. Přestože tvoří většinu vesmíru, o jejich povaze víme stále velmi málo. Tento článek se zaměřuje na historii jejich objevu, co o nich víme, jak je detekujeme a jaký mají vliv na vesmír.
Klíčové poznatky
- Temná hmota tvoří přibližně 27 % vesmíru, zatímco temná energie tvoří asi 68 %.
- První náznaky existence temné hmoty byly pozorovány v roce 1933 Fritzem Zwickym.
- Temná energie byla objevena koncem 20. století a je zodpovědná za zrychlující se expanzi vesmíru.
- Existují různé teorie a hypotézy o povaze temné hmoty a temné energie, ale žádná zatím nebyla jednoznačně potvrzena.
- Detekce temné hmoty a temné energie probíhá pomocí pozorování galaxií, kosmického mikrovlnného pozadí a laboratorních experimentů.
Historie objevu temné hmoty a temné energie
První náznaky a teorie
Myšlenka temné hmoty se poprvé objevila ve 20. letech 20. století. Nizozemský fyzik Jacobus Kapteyn a švédský astronom Knut Lundmark zkoumali hvězdné rychlosti a dospěli k závěru, že ve vesmíru musí být více hmoty, než jsme schopni pozorovat. Tato teorie byla dále rozvíjena a v roce 1933 švýcarský astronom Fritz Zwicky, pracující v USA, zjistil, že hmotnost kupy galaxií v souhvězdí Vlasů Bereniky je mnohem vyšší, než by odpovídalo pozorovaným svítícím objektům.
Role Fritze Zwickyho
Fritz Zwicky je klíčovou postavou v historii objevu temné hmoty. V roce 1933 při studiu kupy galaxií v souhvězdí Vlasů Bereniky zjistil, že hmotnost celé kupy je asi 400krát vyšší, než by se dalo očekávat z pozorování svítících objektů. Tento objev vedl k závěru, že většina hmoty v kupách galaxií je skrytá. Zwickyho práce byla průlomová, i když nebyla zcela přesná kvůli chybně určené hodnotě Hubbleova kosmologického parametru.
Významné experimenty a pozorování
V roce 1939 americký astronom Horace W. Babcock pozoroval galaxii M31 v Andromedě a zjistil, že se otáčí rychleji, než by měla. I když své výsledky neinterpretoval skrze temnou hmotu, jeho pozorování přispělo k dalšímu výzkumu. O rok později Jan Oort objevil velké neviditelné halo galaxie NGC 3115. Tyto objevy postupně vedly k přijetí existence temné hmoty jako významné složky vesmíru.
Temná energie byla objevena mnohem později, na konci 20. století. V roce 1998 Saul Perlmutter a Adam Riess zjistili, že vesmír se zrychluje ve své expanzi, což vedlo k objevu temné energie. Tato neznámá substance tvoří více než dvě třetiny hmoty a energie ve vesmíru a její původ je stále záhadou.
Co je temná hmota?
Charakteristika a vlastnosti
Temná hmota je tajemná složka vesmíru, která tvoří přibližně 27 % jeho celkové hmoty a energie. Na rozdíl od běžné hmoty, kterou můžeme vidět a měřit, temná hmota nevyzařuje světlo ani jinou formu elektromagnetického záření. To znamená, že ji nemůžeme přímo pozorovat. Víme o ní pouze díky jejím gravitačním účinkům na viditelnou hmotu, jako jsou hvězdy a galaxie.
Hypotetické částice temné hmoty
Existuje několik teorií o tom, z čeho by temná hmota mohla být složena. Mezi nejčastěji zmiňované kandidáty patří:
- WIMPy (Weakly Interacting Massive Particles): Slabě interagující hmotné částice, které by mohly tvořit většinu temné hmoty.
- Axiony: Hypotetické částice s velmi malou hmotností, které by mohly vznikat v raných stádiích vesmíru.
- Neutrina: I když jsou neutrina velmi lehká, jejich obrovské množství by mohlo přispívat k temné hmotě.
Gravitační čočkování a temná hmota
Jedním z důkazů existence temné hmoty je jev zvaný gravitační čočkování. Když se světlo z vzdálených galaxií ohýbá kolem masivních objektů, jako jsou kupy galaxií, vytváří to efekt čočky. Tento jev nám umožňuje mapovat rozložení temné hmoty ve vesmíru. Například, když se srazily dvě kupy galaxií, temná hmota se nezastavila, což naznačuje, že neinteraguje s běžnou hmotou stejným způsobem.
Temná hmota je klíčová pro pochopení struktury a vývoje vesmíru. Bez ní by galaxie a další velké struktury nemohly existovat v podobě, jakou dnes pozorujeme.
Co je temná energie?
Zrychlující se expanze vesmíru
Temná energie je záhadná síla, která způsobuje zrychlující se expanzi vesmíru. Vědci si všimli, že galaxie se od sebe vzdalují stále rychleji, což naznačuje, že ve vesmíru působí nějaká neznámá energie. Tato energie tvoří přibližně 73% celkové hmoty a energie vesmíru.
Kosmologická konstanta
Jednou z teorií, která se snaží vysvětlit temnou energii, je kosmologická konstanta. Tuto myšlenku poprvé navrhl Albert Einstein, když se pokoušel aplikovat svou teorii relativity na vesmír. Kosmologická konstanta představuje energii vakua, která by mohla být zodpovědná za zrychlující se expanzi vesmíru.
Možné teorie a vysvětlení
Existuje několik teorií, které se snaží vysvětlit podstatu temné energie:
- Kvintesence: Tato teorie předpokládá existenci skalárního pole, které by mohlo způsobovat zrychlenou expanzi vesmíru. Parametr w, který popisuje kvintesenci, může být proměnný v čase a nemusí být ani prostorově homogenní.
- Modifikace gravitace: Někteří vědci se domnívají, že temná energie by mohla být důsledkem nepochopení gravitace na velkých škálách. Tato teorie by mohla zahrnovat nové fyzikální zákony, které by vysvětlovaly zrychlující se expanzi vesmíru.
- Pátá interakce: Další možností je, že temná energie je projevem dosud neznámé páté síly, která působí ve vesmíru. Tato síla by mohla být zodpovědná za zrychlující se expanzi a mohla by hrát roli v evoluci vesmíru.
Temná energie je velmi zředěná, avšak všudypřítomná a její účinek je kumulativní. V pozemských měřítkách i v rámci sluneční soustavy je neznatelná, ale v kosmologickém měřítku celého vesmíru může být dominantní.
Metody detekce temné hmoty a temné energie
Pozorování galaxií a jejich pohybu
Jednou z hlavních metod detekce temné hmoty je pozorování galaxií a jejich pohybu. Temná hmota ovlivňuje rotaci galaxií a způsobuje, že hvězdy na okrajích galaxií se pohybují rychleji, než by se očekávalo na základě viditelné hmoty. Tento jev je známý jako galaxy rotation curves. Další důležitou metodou je gravitační čočkování, kde temná hmota ohýbá světlo vzdálených objektů, což nám umožňuje odhadnout její rozložení.
Kosmické mikrovlnné pozadí
Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) je reliktní záření z doby krátce po Velkém třesku. Studium fluktuací v CMB nám poskytuje informace o rozložení temné hmoty a temné energie ve vesmíru. Observational evidence z CMB podporuje existenci temné hmoty a temné energie a pomáhá vědcům lépe porozumět jejich vlastnostem.
Laboratorní experimenty
Existuje několik typů laboratorních experimentů zaměřených na přímou detekci částic temné hmoty. Tyto experimenty lze rozdělit do několika kategorií:
- Scintilační detektory: Částice temné hmoty při srážce s atomovým jádrem ve scintilátoru vytvoří elektromagnetický záblesk.
- Ionizační detektory: Při srážce dojde k ionizaci média, často kapalného vzácného plynu jako xenon nebo argon.
- Polovodičové detektory: Srážka způsobí vznik elektronu a díry, které se následně detekují elektronicky.
- Tepelné detektory: Fungují jako kalorimetry měřící energii předanou částicí temné hmoty atomovému jádru.
- Nepřímé detektory: Hledají produkty anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty, jako jsou rentgenové fotony a neutrina.
Detektory jsou často umisťovány hluboko pod zemí, aby byla potlačena detekce částic jiného původu.
Nepřímá detekce temné hmoty zahrnuje hledání produktů anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty. Mezi významné experimenty patří neutrinové observatoře jako IceCube a detektory gravitačních vln jako LIGO.
Pozorování galaxií a jejich pohybu
Jednou z hlavních metod detekce temné hmoty je pozorování galaxií a jejich pohybu. Temná hmota ovlivňuje rotaci galaxií a způsobuje, že hvězdy na okrajích galaxií se pohybují rychleji, než by se očekávalo na základě viditelné hmoty. Tento jev je známý jako galaxy rotation curves. Další důležitou metodou je gravitační čočkování, kde temná hmota ohýbá světlo vzdálených objektů, což nám umožňuje odhadnout její rozložení.
Kosmické mikrovlnné pozadí
Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) je reliktní záření z doby krátce po Velkém třesku. Studium fluktuací v CMB nám poskytuje informace o rozložení temné hmoty a temné energie ve vesmíru. Observational evidence z CMB podporuje existenci temné hmoty a temné energie a pomáhá vědcům lépe porozumět jejich vlastnostem.
Laboratorní experimenty
Existuje několik typů laboratorních experimentů zaměřených na přímou detekci částic temné hmoty. Tyto experimenty lze rozdělit do několika kategorií:
- Scintilační detektory: Částice temné hmoty při srážce s atomovým jádrem ve scintilátoru vytvoří elektromagnetický záblesk.
- Ionizační detektory: Při srážce dojde k ionizaci média, často kapalného vzácného plynu jako xenon nebo argon.
- Polovodičové detektory: Srážka způsobí vznik elektronu a díry, které se následně detekují elektronicky.
- Tepelné detektory: Fungují jako kalorimetry měřící energii předanou částicí temné hmoty atomovému jádru.
- Nepřímé detektory: Hledají produkty anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty, jako jsou rentgenové fotony a neutrina.
Detektory jsou často umisťovány hluboko pod zemí, aby byla potlačena detekce částic jiného původu.
Nepřímá detekce temné hmoty zahrnuje hledání produktů anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty. Mezi významné experimenty patří neutrinové observatoře jako IceCube a detektory gravitačních vln jako LIGO.
Kosmické mikrovlnné pozadí
Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) je reliktní záření z doby krátce po Velkém třesku. Studium fluktuací v CMB nám poskytuje informace o rozložení temné hmoty a temné energie ve vesmíru. Observational evidence z CMB podporuje existenci temné hmoty a temné energie a pomáhá vědcům lépe porozumět jejich vlastnostem.
Laboratorní experimenty
Existuje několik typů laboratorních experimentů zaměřených na přímou detekci částic temné hmoty. Tyto experimenty lze rozdělit do několika kategorií:
- Scintilační detektory: Částice temné hmoty při srážce s atomovým jádrem ve scintilátoru vytvoří elektromagnetický záblesk.
- Ionizační detektory: Při srážce dojde k ionizaci média, často kapalného vzácného plynu jako xenon nebo argon.
- Polovodičové detektory: Srážka způsobí vznik elektronu a díry, které se následně detekují elektronicky.
- Tepelné detektory: Fungují jako kalorimetry měřící energii předanou částicí temné hmoty atomovému jádru.
- Nepřímé detektory: Hledají produkty anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty, jako jsou rentgenové fotony a neutrina.
Detektory jsou často umisťovány hluboko pod zemí, aby byla potlačena detekce částic jiného původu.
Nepřímá detekce temné hmoty zahrnuje hledání produktů anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty. Mezi významné experimenty patří neutrinové observatoře jako IceCube a detektory gravitačních vln jako LIGO.
Kosmické mikrovlnné pozadí
Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) je reliktní záření z doby krátce po Velkém třesku. Studium fluktuací v CMB nám poskytuje informace o rozložení temné hmoty a temné energie ve vesmíru. Observational evidence z CMB podporuje existenci temné hmoty a temné energie a pomáhá vědcům lépe porozumět jejich vlastnostem.
Laboratorní experimenty
Existuje několik typů laboratorních experimentů zaměřených na přímou detekci částic temné hmoty. Tyto experimenty lze rozdělit do několika kategorií:
- Scintilační detektory: Částice temné hmoty při srážce s atomovým jádrem ve scintilátoru vytvoří elektromagnetický záblesk.
- Ionizační detektory: Při srážce dojde k ionizaci média, často kapalného vzácného plynu jako xenon nebo argon.
- Polovodičové detektory: Srážka způsobí vznik elektronu a díry, které se následně detekují elektronicky.
- Tepelné detektory: Fungují jako kalorimetry měřící energii předanou částicí temné hmoty atomovému jádru.
- Nepřímé detektory: Hledají produkty anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty, jako jsou rentgenové fotony a neutrina.
Detektory jsou často umisťovány hluboko pod zemí, aby byla potlačena detekce částic jiného původu.
Nepřímá detekce temné hmoty zahrnuje hledání produktů anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty. Mezi významné experimenty patří neutrinové observatoře jako IceCube a detektory gravitačních vln jako LIGO.
Kosmické mikrovlnné pozadí
Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) je reliktní záření z doby krátce po Velkém třesku. Studium fluktuací v CMB nám poskytuje informace o rozložení temné hmoty a temné energie ve vesmíru. Observational evidence z CMB podporuje existenci temné hmoty a temné energie a pomáhá vědcům lépe porozumět jejich vlastnostem.
Laboratorní experimenty
Existuje několik typů laboratorních experimentů zaměřených na přímou detekci částic temné hmoty. Tyto experimenty lze rozdělit do několika kategorií:
- Scintilační detektory: Částice temné hmoty při srážce s atomovým jádrem ve scintilátoru vytvoří elektromagnetický záblesk.
- Ionizační detektory: Při srážce dojde k ionizaci média, často kapalného vzácného plynu jako xenon nebo argon.
- Polovodičové detektory: Srážka způsobí vznik elektronu a díry, které se následně detekují elektronicky.
- Tepelné detektory: Fungují jako kalorimetry měřící energii předanou částicí temné hmoty atomovému jádru.
- Nepřímé detektory: Hledají produkty anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty, jako jsou rentgenové fotony a neutrina.
Detektory jsou často umisťovány hluboko pod zemí, aby byla potlačena detekce částic jiného původu.
Nepřímá detekce temné hmoty zahrnuje hledání produktů anihilace nebo rozpadu částic temné hmoty. Mezi významné experimenty patří neutrinové observatoře jako IceCube a detektory gravitačních vln jako LIGO.
Kontroverze a alternativní teorie
Modifikovaná Newtonovská dynamika (MOND)
Modifikovaná Newtonovská dynamika, známá jako MOND, je jednou z alternativních teorií, která se snaží vysvětlit temnou hmotu bez nutnosti její existence. Tato teorie navrhuje, že Newtonovy zákony gravitace nejsou přesné při velmi nízkých zrychleních, což by mohlo vysvětlit pohyby galaxií bez potřeby temné hmoty.
Kritika a skeptické názory
Navzdory popularitě MOND mezi některými vědci, většina astrofyziků zůstává skeptická. Americký astrofyzik Ethan Siegel uvádí, že alternativní teorie sice získávají velkou pozornost médií a laické veřejnosti, avšak téměř všichni profesionální astrofyzici jsou přesvědčení, že temná energie skutečně existuje. Siegel dodává, že žádná alternativní teorie nevysvětluje úspěšně pozorování se stejnou mírou přesnosti jako standardní teorie temné energie.
Budoucí směry výzkumu
Budoucí výzkum se zaměří na testování těchto alternativních teorií pomocí nových experimentů a pozorování. Například pozorování gravitačních vln, zejména událost srážky dvou neutronových hvězd GW 170817, dokázalo řadu alternativních teorií vyloučit. Výzkum bude pokračovat, aby se zjistilo, zda některá z těchto teorií může skutečně nahradit současné chápání temné hmoty a temné energie.
Vliv temné hmoty a temné energie na vesmír
Struktura vesmíru
Temná hmota a temná energie mají zásadní vliv na strukturu vesmíru. Temná hmota, která tvoří asi 27 % vesmíru, pomáhá udržovat galaxie pohromadě svou gravitační silou. Naopak temná energie, která tvoří přibližně 68 % vesmíru, způsobuje zrychlující se expanzi vesmíru.
Formování galaxií
Temná hmota hraje klíčovou roli při formování galaxií. Bez její gravitační síly by se galaxie nemohly vytvořit ani udržet. Temná energie naopak působí proti gravitaci a snaží se galaxie od sebe oddělit.
Budoucnost vesmíru
Budoucnost vesmíru je ovlivněna rovnováhou mezi temnou hmotou a temnou energií. Pokud bude temná energie nadále dominovat, vesmír se bude stále více rozpínat. To by mohlo vést k tzv. „velkému roztržení“, kdy se galaxie, hvězdy a dokonce i atomy rozpadnou.
Temná energie je velmi zředěná, avšak všudypřítomná a její účinek je kumulativní. V pozemských měřítkách i v rámci sluneční soustavy je neznatelná, ale v kosmologickém měřítku celého vesmíru může být dominantní.
Závěr
Temná hmota a temná energie zůstávají jedněmi z největších záhad moderní vědy. Přestože jsme udělali velký pokrok v jejich studiu, stále nám chybí klíčové odpovědi. Víme, že temná hmota tvoří zhruba 27 % vesmíru a temná energie dokonce 68 %, ale jejich přesná podstata nám uniká. Vědci po celém světě pokračují v hledání odpovědí, ať už prostřednictvím pozorování vesmíru nebo experimentů v laboratořích. Je jasné, že naše chápání vesmíru je stále neúplné a každý nový objev nás může přiblížit k odhalení těchto tajemství. Ať už se ukáže, že temná hmota a temná energie jsou skutečné, nebo že naše teorie potřebují zásadní revizi, jedno je jisté – cesta za poznáním vesmíru je fascinující a plná překvapení.
